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1、第 8 卷 1994 第 5 期 年 10 月 材料研究学报 HICNUOO JRANLSEEF M ATHR IARAR LSSEEEC V o l . 8 , N 0 . 5 O eto be r1 994 硬质聚氨醋泡沫塑料压缩力学性能 卢子 兴 田常津 谢若泽 (北京 大学)(西南结构力学研究所) 摘要研究了三种密 度不同的 聚氮酮饱沫塑料的低 速压 缩力学性能 , 用SEM分 析了初始胞 体结 构 , 确定了胞体尺寸及结构特性 . 关健词硬质聚氮醋泡沫 , 压缩力学性能 关于聚氨醋饱沫塑料力学性质的研究工作主要有 : 应力一应变曲线的确定及材料的本构 关系 , 2 ) ; 弹性模量及
2、强度同饱沫密度的关系 ( 3; 还有断裂力学性能( 4 1 、 冲击特性及 减 振性能 5 ,6 、 疲劳特性( 7 ) 、 损伤及破坏机理( 8 )以及松弛和蠕变 ( 9 , 0 等 . 但由于聚氨醋泡 沫塑料是多孔的 , 其力学性能同材料密度有密切关系 . 而过去的工作川 主要集 中于低密度 泡沫塑料 , 对较高密度(大于 0 . 3 9/ c m , ) 的泡沫塑料研究较少 , 还没有现成的本构模型可 用 2 . 本文给出了较高密度聚氨醋饱沫塑料低速压缩实验的一些结果 . 1 实验方法 用注模成型工艺制作三种密度的硬质聚氨醋泡沫塑料 . 方法是 : 在铝制模具的模腔内涂 刷脱膜剂并加热到
3、5 0待用 , 按配方混合后的聚氨醋经短时搅拌 , 使其微微起泡后注入模 具;经过增链 、 发泡和交链等反应 , 固化脱膜制得成品 . 压缩试件轴向与材料的发泡方向一致 , 中 、 高密度试件尺寸为直径2 5mm , 高2 5mm ; 低 密度的试件尺寸为8 6 x 8 6 x 9 5(mm) . 试件尺寸比胞体大二个数量级 , 可代表真实材料的宏 观力学性质 3, . 实验在 Is nto r n一1196 型万能材料试验机上进行 , 中 、 高密度泡沫的变形 由 电子引伸仪测量 , 而低密度泡沫的变形 由横梁位移确定 . 实验温度 : 1 7 ; 湿度 : 7 2% . 2 实验 结果及讨
4、论 .2 1胞体结构特性 图1表明 : 低密度(p f= .003 9/ c m , )饱沫的胞体结构为 多面体 , 平均尺寸 71 0拜m , 可 以看作由空 间分 布的细杆 和薄膜组成 ; 高密 度泡沫(两= 0 . 59/ c m , ) 的胞体结构为球形 (实 际上是椭球形) , 可以看作 是聚 合物中存 在孤立且 密度很高的气饱形成的 , 平均尺寸 19 9#m ; 中密 度( .039/ c m 3) 时 , 胞体 结构为 一种混合态 , 也称圆形 多面体 , 平均 尺寸 26 ( ) 料m . , 国家自然科学基金资助项目 19 1 7 20 0 2 , 19 93年1 1 月1
5、 2 日收 到初稿 , 1 994年7月4日收到修改稿 . 本文联系人 : 卢子兴 , 北京市 10 087 1 ,北 京大学力学 系 452 4 54 材料研究学报 19 49年 表 1 几个物理参数随循环次数的变化 T able 1Var i atio nof s ev er al Phy sic a lP arameter s with ey C lie nu mb e r A v e ra 罗 M o d u l su ( kg/ emZ ) L o s s E n e rg y D ensity ( k罗m / emZ ) R e c o v e ry Strain (% ) D e
6、 n sity, g/ e m 0 . 30 . 50 . 30 . 50 . 30 . 5 2072 2 2 4 61 0 0 21 9 3 6 1 8 4 9 8 4 57 3 6 气 二 O 3 v 二 sm mlmin v二 smm lmin v二.0 5一 Pf , QS O 5 od乏 七 产 厂口 ,J 刀 J夕 r J刃 口 口 万 价 了 洲门 J,门 汀 了 了 D d 艺 . D 0. 010 2 0 0 1020 3 0 E 。. C , 、 图2 循环加载 6 、曲线 图 3 变形速度突变的影响 Fig . 2Ste r ss一straineu v e r in e
7、y c lielo ad ingFig . 3Ef l 泛et o f s udde neha n g e o fdef o m r ation v elo c ity 抱沫塑料均有明显的应变率效应 , 密度较高时对应变率更敏感 . 图 4 中的 1 . 2 . 3为高密度 泡沫塑料的情况 , 中密度泡沫塑料与此类似 . 材料强度随应变率增加 , 都存在明显的线弹性区 , 但杨氏模量变化不大 . 根据不同应变率的 曲线屈服后几乎平行的特点 , 选择过应力模型 的 c o we p 卜s ym on d s公式 幻 描述 材料屈服后 (压实前)的应变 率效应是合适的 ; 以密 度 .05 9 /
8、 c l n 3 的饱沫塑料为例计算的结果与实验值符合的相当好(表. 3 ) 由图 5可见 : 泡沫塑料的强度及弹性模量均随温度的升高而降低 ; 由计算得知 : 密度较 高时温度效应更为明显 . 例如 , 高 、 中密度泡沫杨氏模量的变化分别为1 8和1 3% . 3 结论 1 . 硬质聚氨醋泡沫塑料变形时显示出粘性 , 且随变形的发展而增大 ; 材料的损伤也随 应变的增加而增加 ; 但粘性与密度无关 . 2 . 变形速度的突然变化会改变应 力一应变曲线的形状 , 使曲线具有动态加载的特点 . 应 变率较低时 , 泡沫塑料对应变率也是敏感的 . 第 8 卷第 5 期 硬质聚氨醋抱沫塑料压缩力学
9、性能 455 表 2 准静态加载下泡沫塑料的压缩杨氏模量和强度 T a bl e 2C o mPre s s i ve m od u li an d s t ren g t h o ff o a mP l sa t i s c un d re q uas i 一 t a t i e l oa di n g D e ns i t y ,o fm atei r als , g/ emZ E 一 a stie M叱 ulu s , kg/ emZ Str e n gth ., MP a 0 . 03 310 0 . 103 0 . 3 9 76 . 0 0 . 5 399 ( ) . O C o r
10、 r e sPo nd ingto s% str ain 表 3 密度 0 . 5 9 / cm3 泡沫塑料理论计算 应力与实验值的比较 T able 3str e s se om pa“ son s 比twe e n the or etiea一ealeu一ation a ndex 伴irm e ntal r e s ults o f r 0 . 59/ em3 o f am Pla stic s str ain , 0 , 0 strain r ate , s一t T h e o 仃 , MPa Ex琳rime nt , MP a R e一ativee ro rr, o , o 一 1 x
11、10 一2 1 x 10一 2 17 . 2 17 , 6 jo 1 ,4 * bas ed o noves rte rs s model v二 sm mlm互 n O 些 夏 Pf , . 0 5 1, . C 石SO C 气 . 03 OL - - - - 一 - 占- 一 一- 一 - 0 102 03 0 玄 , 、 g , 、 图4 高密度饱沫在不同应变率下的 曲 Fig . 4Ste r s s e s ta rin e u v e r sof h ighde n sity f o amat d ill七e r ntstrainr ate 图 5 温度对 曲线的影晌 FigsEi
12、f f兄ts oftem e pa r tue r onste rs s一tr ain c u v e r : T=17 ; : T=45 3 . 低密度饱沫塑料的应力一应变 曲线有平台区(类似于理想塑性材料) , 而较高密 度饱 沫塑料则是逐渐硬化的 4 . 聚氨醋泡沫塑料的应变率敏感性随密度提 高而增强 ; 若基体材料是 应变率不敏感 的 , 则相应的饱沫材料也不敏感 ; 用C o w p e- - r Sym o n d s模型可以描述泡沫材料屈服后的力 学行为 , 计算结果与实验符合的相当好 . 5 . 聚氨醋饱沫塑料对温度环境也是敏感的 , 并且温度对密度较高的饱沫塑料力学性能 的影
13、响较大 . 456 材料研究学报 1499 年 感谢西南化工材料研究所李怀祥在材料 方面 , 西南结构力学所王桂之等在 实验方面提供的帮助 . 今考文献 G ent AN , Thoma s AG . JA PPIP o lym Sei , 1959;l : 107 R u s eh KC . J A P PIP o lym c S i ., 1970 ; 14 : 126 3 C ha nR , N akamur a M . J C ell P la st , 1969;5 : 112 F ow lkeC W . IntJ F ra ct , 1974 ; 10 :99 W oo lam W
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